Изготовление оснастки и приспособлений

Для производителей максимальная скорость производства при сохранении высокого качества деталей имеет решающее значение для успеха.

В этом руководстве описаны принципы создания эффективных приспособлений и других вспомогательных средств производства собственными силами, уделяя особое внимание использованию 3D-печати, которое, в свою очередь, снижает затраты, сокращает время разработки и создает более эффективные производственные рабочие процессы от инженера-конструктора до специалиста производственного цеха.

Что такое оснастка и приспособления?

Оснастка и приспособления - это инструменты, используемые в производственных и сборочных процессах для удержания, поддержки, крепления или фиксации изделий и оборудования.

В своей самой простой форме зажимные приспособления удерживают деталь в определенном положении, выдерживая усилия, возникающие при выполнении вторичных операций, без недопустимого отклонения, перемещения или вращения удерживаемой детали. Как таковые, они входят в большую группу приспособлений, называемых вспомогательными средствами производства, поскольку облегчают, упрощают или повышают эффективность различных производственных и сборочных процессов.

Разница между оснасткой и приспособлениями

Хотя и оснастка, и приспособления, используемые в контакте с изделиями, называются зажимными устройствами, они имеют несколько разное назначение:

Оснастка: инструменты и устройства, предназначенные для удержания заготовки или продукта, а также для направления оборудования, чтобы обеспечить правильное выравнивание и избежать смещения или повреждений.

Приспособления: зажимы, тиски, патроны, зажимы или другие устройства, которые удерживают заготовку на месте, чтобы зафиксировать ее во время вторичных процессов.

Как оснастка, так и приспособления обычно настраиваются под уникальную геометрию конкретной детали, а в случае оснастки — также могут настраиваться под оборудование. Оснастка и приспособления часто используются в таких процессах, как сварка, сверление, формовка или сборка.

Оснастка или направляющая удерживает заготовку и направляет инструмент, напечатанный из Durable Resin (рис.1) / Испытательное приспособление от Dorman Products (справа) для проверки шлангов под давлением и манометров "идет/не идет", напечатанное на 3D-принтере Form 3 из Grey Resin (рис.2)

Для чего используются приспособления и крепежи

Приспособления и крепежи используются в различных производственных процессах для повышения эффективности, решения проблем и снижения затрат на заводе. Производители применяют крупные стандартные машины для повторяющихся процессов, таких как фрезерование, формовка или обработка, но каждый продукт уникален. Приспособления и крепежи — это решения, которые позволяют одной машине работать с различными продуктами.

Традиционно многие производители оборудования поставляют вспомогательные устройства вместе со своими машинами, но эти устройства, как правило, стандартизированы для определенного набора деталей. Стандартизация также приводит к использованию более тяжелых, громоздких металлических частей, которые могут быть трудны в обращении и не подходят для всего спектра продукции, которую будет производить покупатель машины. Поэтому требуются индивидуально настроенные приспособления и крепежи, чтобы машины могли работать с новыми продуктами и процессами.

Типы приспособлений и крепежей

Существует столько же типов приспособлений и крепежей, сколько и производственных процессов и деталей — каждое приспособление и крепеж предназначены для выполнения определенной функции для конкретной детали. Они могут быть такими простыми, как блоки, или такими сложными, как многосоставные кривошипные механизмы.

Вот несколько типов приспособлений и крепежей, которые часто используются в производственных сценариях. Многие из этих типов приспособлений также могут использоваться в качестве крепежей — то есть приспособление может направлять оборудование, а также удерживать деталь на месте.

Приспособления и крепежи

Оснастка

• Формовочная оснастка
• Механическая оснастка
• Сборочная оснастка
• Приспособления для окраски/покрытия/послеоперационной обработки
• Формовочная оснастка

Крепежи

• Приспособления с мягкими губками
• Зажимы
• Тиски
• Патроны
• Кривошипные механизмы
• Приспособления для осмотра/контроля

Оснастка, приспособления и сменные детали - все они считаются вспомогательными средствами производства и могут быть эффективно и с минимальными затратами напечатаны на 3D-принтере внутри компании, чтобы сократить время простоя и повысить производительность.

Как сделать свои собственные приспособления и крепежи

Традиционно приспособления и крепежи формуются, обрабатываются или фрезеруются и часто изготавливаются производителем машины, на которой они будут использоваться. Например, производитель сверл может изготовить и предоставить серию направляющих крепежей вместе со сверлом. Хотя эти приспособления или крепежи могут работать для нескольких деталей, они спроектированы только для небольшой группы продуктов, что оставляет производителей в затруднительном положении, когда у них появляется новый или измененный продукт.

Из-за этих ограничений 3D-печать становится более широко используемым методом изготовления производственных приспособлений, таких как приспособления и крепежи. Напечатанные приспособления и крепежи могут быть изготовлены по требованию и на месте, и их производство рентабельно для небольших партий или индивидуальных применений.

Проектирование индивидуальных приспособлений и крепежей можно легко выполнить с использованием соответствующих измерительных инструментов и методов производства, позволяющих создавать сложные геометрии, такие как 3D-печать. Сначала создается модель в CAD на основе чертежей CAD, измерений при помощи калипера или 3D-сканов деталей и оборудования. Ваш конечный дизайн может быть изготовлен методом 3D-печати, обработан или использован в качестве образца для создания формы.

Лучшие методы проектирования специализированной оснастки и приспособлений

Есть несколько способов оптимизировать процесс проектирования индивидуальных приспособлений и крепежей, включая:

• Увеличение геометрической сложности: 3D-печать позволяет создавать сложные элементы и добавлять номера, названия, даты и другую необходимую информацию без дополнительных затрат.
• Сокращение количества деталей: Многокомпонентные приспособления и крепежи традиционно изготавливаются методом литья с определенными трудностями, но их часто можно напечатать на 3D-принтере в одном блоке, что упрощает рабочий процесс.
• Встраивание эталонных особенностей в дизайн: Приспособления и крепежи, включающие идеализированные особенности, такие как идеальный прямой угол, облегчают проверку готовой детали, делая ее более точной.
• Усиление для повышения жесткости: Добавление жестких ребер и скруглений обеспечивает дополнительную прочность конструкции без значительного увеличения стоимости или времени изготовления детали.
• Добавление резьбовых вкладышей для улучшения долговечности: Вставка резьбовых вкладышей или карманов в 3D-напечатанные детали позволяет надежно закреплять гайки при закручивании болта, улучшая долговечность приспособлений и крепежей из 3D-печати.
• Учет возможности удаления обрезков после обработки: Добавление канавок, каналов и скругленных краев в приспособления и крепежи облегчает удаление лишнего материала во время использования при обработке, создающей обрезки.
• Учет пользовательского опыта: Проектирование приспособлений и крепежей таким образом, чтобы их можно было использовать одной рукой, легко обнаруживать ошибки расположения и фиксировать деталь без необходимости поддержки или вмешательства.

Типичный фрезерованный и собранный угловой локатор, состоящий из трех пластин с болтами, создает больше возможностей для заклинивания стружки (рис. 1) / Типичная геометрия для 3D-печати углового локатора с облегченными краями, гладкими рельефными карманами и отсутствием швов, и все это без увеличения стоимости детали (рис. 2)

Материалы для нестандартных приспособлений

Заготовки и приспособления могут быть изготовлены из широкого спектра материалов, и часто они производятся из тех же материалов (и с помощью тех же процессов), что и рабочий процесс, который они поддерживают. Обычно производители изготавливают оснастку из металла (хотя иногда из POM (Delrin) или других пластмасс) собственными силами или с привлечением сторонних поставщиков. Механическая обработка требует дорогостоящего оборудования и квалифицированной рабочей силы для настройки CAM и управления станком. Кроме того, большинство инструментов состоит из нескольких частей, что усложняет процесс. Аутсорсинг связан с многонедельными сроками выполнения заказа и высокими затратами. В результате производство таких инструментов по индивидуальному заказу и точно в срок может оказаться сложной задачей. Однако в зависимости от сил, действующих на деталь, не всегда необходимо изготавливать такие инструменты из металла.

При выборе материала учитывайте стоимость, простоту изготовления, время выполнения заказа и конструктивные потребности. Нестандартные зажимные приспособления из различных пластиковых материалов могут быть изготовлены с помощью аддитивного производства или с помощью более традиционного процесса, например фрезерования.

Компания Ashley Furniture использует 3D-печать, чтобы заменить навесные детали из механического цеха, что сокращает их стоимость в два раза / Эти центровочные штифты, напечатанные на SLA 3D-принтерах Form 3 из Durable Resin, быстро перемещают штифты по простой сетке.

В автоматизированных сборочных машинах компании Koshi Kagaku Kogyo используется множество оснастки и приспособлений, напечатанных на 3D-принтере Fuse 1.

Аддитивно изготовленные пластмассы могут иметь различные свойства, от более мягких резиноподобных материалов, таких как смола Elastic 50A или Flexible 80A, до жестких и прочных материалов, таких как PEEK, смола Formlabs Rigid 10K или материалы для SLS 3D-печати, такие как Nylon 12 Powder. Специальные материалы, такие как ESD Resin, предлагают уникальные преимущества, такие как безопасное рассеивание электростатического разряда, что очень важно для таких областей применения, как сборка электроники.

Такое разнообразие материалов позволяет производителям корректировать конструкцию или выбор материала в зависимости от производительности, не делая при этом устаревшими обработанные или формованные приспособления. Заготовки и приспособления из пластика, изготовленные аддитивным способом, часто имеют гораздо более короткие сроки изготовления и могут быть изготовлены на предприятии за считанные часы. 

Металлические оснастки и приспособления следует использовать в тех случаях, когда речь идет о высоких температурах, очень больших нагрузках или когда процесс остается неизменным в течение сотен или тысяч повторений, что делает износ и долговечность очень важными. Металлические производственные приспособления дороже пластиковых, срок их изготовления часто составляет не менее двух недель, они тяжелее и менее эргономичны.

Методы изготовления нестандартных зажимных приспособлений

Зажимные приспособления обычно требуются в небольших объемах или в виде отдельных деталей. Одно производственное приспособление часто может быть использовано для многих повторений процесса, или же они требуются для индивидуального процесса, который не будет повторяться. В зависимости от требуемого количества большинство из них изготавливается либо методом фрезерования - субтрактивного процесса, при котором деталь вырезается из цельного блока материала, - либо методом аддитивного производства, также известного как 3D-печать. Эти два процесса позволяют создавать высокоточные и индивидуальные детали и часто имеют более короткие сроки изготовления, чем традиционные многоэтапные процессы, такие как формовка.

Если требуется металлическая оснастка или приспособление для работы в условиях сильного нагрева или приложения больших усилий, подходящим методом изготовления является механическая обработка. Однако по мере того как технологии 3D-печати совершенствуются с точки зрения точности и доступности материалов, они представляют собой альтернативу, которая зачастую является более доступной и быстрой. Во многих случаях производители могут использовать передовые полимеры, такие как смола Rigid 10K или нейлоновые порошки, для изготовления оснастки и приспособлений, которые раньше делались только из металлов.

3D-печать пользовательских оснасток и приспособлений

За последние несколько лет 3D-принтеры высокого разрешения стали доступнее, проще в использовании и надежнее. В результате технология 3D-печати стала доступной для большего числа предприятий, однако выбор между различными конкурирующими решениями для 3D-печати может оказаться непростой задачей. Прочитайте это технологическое руководство, чтобы сравнить три наиболее распространенные технологии 3D-печати: FDM, SLA и SLS.

Напечатанные приспособления часто изготавливаются с помощью технологии FDM, поскольку она быстрая, простая в использовании и недорогая. Однако SLA и SLS лучше подходят для изготовления приспособлений, требующих:

• Более высокое разрешение, точность и гладкую поверхность
• Улучшенные механические характеристики, такие как прочность и долговечность
• Сложные конструкции
• Более высокая производительность

Преимущества напечатанных на 3D-принтере оснастки и приспособлений

Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, - это мощное решение для быстрого и недорогого изготовления средств производства собственными силами. 3D-печать оснастки и приспособлений - это один из способов для производителей получить больший контроль над цепочкой поставок, повысить эффективность работы, снизить затраты и уменьшить количество ошибок, поврежденных товаров и отходов.

Доступность напечатанных оснасток и приспособлений

3D-принтеры можно приобрести и внедрить в производство с относительно небольшими расходами или требованиями к площади. Настольные 3D-принтеры, такие как Formlabs Form 3+, доступны по цене и обеспечивают широкий диапазон свойств материалов. SLA 3D-принтер Formlabs Form 3L или промышленный SLS 3D-принтер Fuse 1, также доступны по цене и не требуют сложных инфраструктурных систем, присущих многим традиционным крупным 3D-принтерам.

Больший контроль над цепочкой поставок

Наличие этих технологий в компании означает, что сотрудники, отвечающие за один процесс, например термоформовку или покраску, могут легко получить доступ к технологии 3D-печати для изготовления индивидуальной оснастки или приспособления. Весь процесс может занять менее одного дня, что позволяет сократить время простоя и практически сразу улучшить рабочий процесс. Производитель контролирует больше элементов, задействованных в производстве, и может легко определить области, в которых специализированная оснастка или приспособление могли бы немедленно оказать положительное влияние на рабочий процесс.

Уменьшение количества поврежденных изделий с помощью напечатанных оснасток и приспособлений

3D-печать - отличное решение для создания зажимных приспособлений, позволяющее сократить количество поврежденных изделий или оборудования. Традиционные зажимные системы, такие как тиски и зажимы, не могут зафиксировать и поддержать аморфные формы или детали с очень мелкими деталями. Если их использовать, они могут привести к повреждению из-за плохой посадки или принудительного крепления. Например, фиксирующие приспособления, напечатанные на 3D-принтере из более мягкого материала, могут уменьшить колебания в процессе сборки по сравнению с жесткими приспособлениями, изготовленными из фрезерованного пластика или металла.

Тематические исследования

Производство приспособлений: индивидуальные приспособления для автоматических токарных станков

Компания Pankl Racing Systems, специализирующаяся на разработке компонентов двигателей и приводных систем для гоночных автомобилей, высокопроизводительных автомобилей и аэрокосмических приложений, внедрила технологию SLA 3D-печати для производства индивидуальных приспособлений и других инструментов.

Для выполнения одного из заказов им потребовалось произвести сборки коробок передач для мотоциклов через несколько этапов обработки стали на автоматических токарных станках. Каждый этап обработки на автоматических токарных станках требует индивидуальных приспособлений для каждого типа зубчатых колес. Ранее для изготовления таких приспособлений подрядчики требовали шестинедельный срок. Внедрение SLA 3D-печати позволило сократить срок изготовления на 90% и снизить затраты на 80-90%, что привело к экономии в размере 150 000 евро.

Зажимные приспособления напечатаны на 3D-принтере Form 3 из смолы Tough Resin и прикреплены к конвейерной ленте с помощью стандартных челноков. Каждая оснастка имеет уникальный идентификатор на боковой стороне.

Формовка пластика различных размеров: крепежные приспособления на Productive Plastics

Термоформовка — это процесс производства, при котором листы пластика нагреваются и формуются в нужную форму под вакуумом, давлением или механическими силами. В одном проекте на Productive Plastics рамка зажима машины была больше, чем форма, что требовало остановки процесса ожидания индивидуального крепежного приспособления или необоснованно большого листа пластика, что увеличивало затраты. Productive Plastics использовали внутреннюю 3D-печать для изготовления индивидуального приспособления, которое корректировало расстояние между формой и рамкой.

Зажимное приспособление предназначено для обеспечения расстояния между элементами 0,25 дюйма (63,5 см). Оно было напечатано на 3D-принтере Fuse 1 из Nylon12 Powder для обеспечения прочности и долговечности. Никаких дополнительных методов отделки не потребовалось; приспособление устанавливалось непосредственно на оборудование.

Затраты на оснастку и приспособления

Производство деталей на заказ традиционно было дорогостоящим процессом, но с развитием аддитивного производства изготовление на заказ стало доступным и недорогим. Для оснастки и приспособлений это означает расширение диапазона возможных геометрических форм и лучшее соответствие специфическим процессам, которые ранее зависели от стандартных деталей. Индивидуальные зажимные приспособления по требованию также значительно упрощают ручные процессы, такие как сборка или упаковка, и могут снизить нагрузку на сотрудников завода, высвобождая их время для более важных задач.

Если посмотреть на сравнение затрат на производство оснастки Pankl Racing Systems: собственная 3D-печать в 48 раз быстрее и в 12 раз дешевле, чем привлечение сторонних фрезеровщиков.

Собственное производство в сравнении с аутсорсингом

Собственное производство напечатанных оснасток и приспособлений позволяет сократить время простоя за счет уменьшения расстояния между проблемой и ее решением. Сотрудники, знакомые с производственным процессом, могут выявить проблемы до их возникновения и разработать оснастку и приспособления для оптимизации процессов до того, как возникнут проблемы. Легко общаясь со своими коллегами, они могут выявить болевые точки и в течение 24 часов разработать приспособления, которые сделают процессы более безопасными, эффективными или точными.

В отличие от этого, аутсорсинг оснастки и приспособлений по своей сути реактивен, и специализированная производственная помощь, решающая проблему после ее возникновения, может привести к дням или неделям простоя.

Начните работу с нестандартной оснасткой и приспособлениями уже сейчас

Современные заводы должны постоянно адаптироваться к меняющимся требованиям клиентов и искать новые пути, чтобы оставаться эффективными, проворными и конкурентоспособными. Компании уже используют возможности собственной технологии 3D-печати для решения других задач, таких как быстрое прототипирование, быстрое изготовление оснастки и производство конечных деталей.

Производственные приспособления, такие как зажимные приспособления, могут улучшить все аспекты производства; они приносят огромную пользу производственным операциям, сокращая время простоя, повышая эффективность, предотвращая потерю материала или повреждение оборудования, а также увеличивая производительность. С помощью технологии 3D-печати те же команды, которые отвечают за производство, могут взять на себя ответственность за свои процессы и создавать индивидуальные детали для своих уникальных рабочих процессов.

3D-печать предлагает широкий спектр свойств материалов и доступный способ производства прочных, геометрически сложных оснасток и приспособлений, способных поддерживать любой рабочий процесс. Системы SLA и SLS доступны по цене и легко интегрируются в существующую атмосферу цеха, что позволяет производителям незамедлительно приступить к работе.